纳米稀土氧化物对陶瓷结合剂的强化.docx

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1、纳米稀土氧化物对陶瓷结合剂的强化摘要:为提高砂轮用陶瓷结合剂的强度与韧性，以不同体积分数的纳米、与基础结合剂构成复合结合剂，并通过射线衍射仪和扫描电子显微镜表征其物相和显微构造，通过三点弯曲、单边切口梁等测试方法测试其机械性能。实验结果表明：添加体积分数的纳米或纳米后，试样的抗折强度分别为和，比基础结合剂的分别提高了和，而其他种纳米稀土氧化物没有表现出加强作用。种纳米稀土氧化物均可增加基础结合剂的韧性，但的效果最明显，在体积分数为时，试样的断裂韧性为獉，比基础结合剂的獉提高了。以含纳米体积分数的复合结合剂与磨料浓度混合制备试样，发现该复合结合剂对颗粒的润湿良好，试样的抗折强度为。关键词:陶瓷结

2、合剂；纳米稀土氧化物；抗拉强度；断裂韧性陶瓷结合剂磨具具有高速、高效率、高精度、低磨削成本、绿色环保等优异性能，是近年世界各国科研人员的研究热门，其发展速度非常快。砂轮的性能很大程度上取决于陶瓷结合剂的性能，但陶瓷结合剂的脆性大，会降低砂轮的使用寿命，提高加工成本。因而，需对陶瓷结合剂加强增韧，改善砂轮的微观构造，提高其综合性能。陶瓷结合剂的增韧方法有很多，如相变增韧、金属增韧、纤维增韧、第二相颗粒弥散增韧等。除上述增韧机制外，还有引入稀土氧化物的方法。在这方面有大量研究工作和成果。栗正新探索了、对陶瓷结合剂耐火度和抗折强度的影响，发现对结合剂的耐火度影响较大，对陶瓷结合剂的强度有较好的提高作

3、用。侯永改等发如今钙铝硅微晶玻璃体系中引入一定量的，能够降低结合剂的耐火度、增加流动性，同时还具有诱导析晶的作用。等在陶瓷结合剂中引入适量的，不仅提高了烧结经过中结合剂的流动性，还能够增加结合剂中石英固溶体的含量，提高其机械性能。目前，采用稀土氧化物提高陶瓷超硬磨具结合剂的断裂韧性的研究文献较少。在本研究中，以体系为基础陶瓷结合剂，通过添加不同的纳米稀土氧化物、对结合剂进行加强增韧处理，探索不同稀土氧化物对陶瓷结合剂微观构造及断裂韧性的影响规律。以玻璃体系为基础，通过优化设计获得基础结合剂配方，再经过高温熔炼、球磨、过筛、枯燥等步骤制得基础结合剂；采用高分子网络凝胶法自制纳米稀土氧化物、添加剂

4、。将种纳米稀土氧化物以不同的体积分数、与基础结合剂混合，以乙醇为分散剂；用行星式球磨机进行混料，球料比为质量比，转速为，混料时间为，混料后过号筛并枯燥，获得含有纳米稀土氧化物的复合结合剂。复合结合剂粉料经过成形、枯燥，在不同工艺下烧结制得相应的试样。不同试样的烧结工艺曲线如图所示，其中为不同试样对应的最高烧结温度。图试样烧结工艺曲线示意图利用三点弯曲法在材料外表与界面性能测试仪中国建材研究院上测试试样的抗折强度；利用单边缺口梁法测试试样的断裂韧性；利用场发射扫描电子显微镜日本日立观察试样断口的微观形貌；利用射线衍射仪日本理光分析试样的物相组成。通过相关性能比照，确定性能最优的复合结合剂，在此基

5、础上，参加浓度为的立方氮化硼，制备陶瓷结合剂立方氮化硼磨具试样，检测其抗折强度并观察试样断口的微观形貌。结果分析与讨论含纳米稀土氧化物结合剂试样的抗折强度图为不同结合剂试样的抗折强度随烧结温度的变化曲线。由图可知：添加不同体积分数的、后，试样的最大抗折强度分别为、。只要添加和的陶瓷结合剂的抗折强度有可能超过基础陶瓷结合剂的，分别提高了和；而、在本实验的考察用量范围内没有实现对基础陶瓷结合剂的加强。含纳米稀土氧化物试样的断裂韧性图所示为结合剂的断裂韧性随纳米稀土氧化物添加量的变化曲线。由图可知：添加不同体积分数的、后，试样的断裂韧性最大值分别为、獉。比照基础陶瓷结合剂的断裂韧性值獉，各添加剂均有

6、不同程度的增韧效果，其中增韧效果最为显著的是纳米，相比于基础结合剂试样，其断裂韧性最大可提高。含纳米稀土氧化物试样的分析取基础结合剂和含体积分数的纳米稀土氧化物的复合结合剂进行衍射分析，其结果如图所示。由图能够看出：基础结合剂的主晶相为方石英，其对应的衍射峰强度很高。纳米稀土氧化物的掺入，改变了试样的主晶相，使部分膨胀系数较大的立方构造方石英相转变为膨胀系数较小的六方构造石英相。这可能是添加纳米稀土氧化物后试样的断裂韧性明显提高的原因之一。在添加的样品中，还出现了新相，这是由纳米稀土氧化物与基础陶瓷结合剂中的组元互相反响构成的新物相。试样的观察图为含纳米稀土氧化物结合剂试样经腐蚀处理后的照片。

7、检测前，各试样外表需磨平抛光，并用质量分数的氢氟酸腐蚀。由图能够看出：个样品的微观构造比拟均匀，晶粒尺寸稳定。进一步比照发现：含有、的试样有较多的孔洞，而含和的样品外表的孔洞较少。这可能是导致各试样的断裂韧性存在差异的原因之一。含磨具试样的抗折强度与显微构造分别以基础结合剂和含体积分数的的复合结合剂与磨料混合制备磨具试样。磨料浓度为，即其体积分数为；假设试样中孔隙的体积分数为，则陶瓷结合剂的体积分数为。种试样的抗折强度与烧结温度的关系如图所示。由图可知：种试样的抗折强度随烧结温度的变化趋势基本一样，均随烧结温度升高先增大后减小。但复合结合剂磨具试样的抗折强度明显高于基础结合剂试样的抗折强度，复

8、合结合剂试样在附近到达抗折强度的极大值，为，比基础结合剂试样的极大值提高了。另一方面，复合结合剂试样的烧结温度范围更宽，约为。该实验结果表明：添加对试样的加强效果明显。添加的陶瓷结合剂磨具试样的断口形貌如图所示。从图中能够看出：添加的陶瓷结合剂对磨粒的润湿结合比拟理想，结合剂在磨粒之间铺展均匀，结合剂中分布有大小较为均匀的气孔。这些气孔在磨具磨削工件时，将发挥容屑、包容冷却液和降低工件外表温度的作用，防止工件出现烧伤。在基础结合剂体系中添加不同含量的纳米稀土氧化物，并使用、等方法表征其物相和微观构造，使用三点弯曲、单边切口梁等方法测试其机械性能。结果发现：添加体积分数为的时，结合剂试样的抗折强度最高，到达，比基础结合剂的抗折强度提高。、及均对基础结合剂有增韧效果。其中，添加体积分数的时，结合剂试样的断裂韧性最高，为獉，比基础结合剂的提高。含体积分数的的复合结合剂对磨粒润湿良好，其抗折强度为。通过添加纳米稀土氧化物，有效地改善了陶瓷结合剂的微观构造，提高其强度与韧性，进而提高了砂轮的使用寿命、降低加工成本。